mel / АТ_ЛР5

Лабораторная работа 5.

Исследование частотных свойств схемы на операционном усилителе

1.Теоретические сведения

1.1.Частотные свойства операционного усилителя Интегральные операционные усилители обладают ненулевым

выходным сопротивлением, величина которого составляет порядка 1 кОм. Вместе с паразитной емкостью выходных элементов усилителя это сопротивление образует RC-фильтр нижних частот.

Рис. 1. ФНЧ на выходе ОУ

Передаточная характеристика фильтра описывается выражением (1):

(1)

Коэффициент усиления операционного усилителя также становится зависим от частоты входного сигнала:

масштабе, представлены на рис. 2:

1

Рис. 2. ЛАЧХ и ЛФЧХ операционного усилителя

Пунктиром показана линейная аппроксимация графиков функций.

На приведенных графиках отмечены характерные точки:

сигналов с частотой, большей ft , сигнал будет только ослабляться.

Из графика ЛФЧХ видно, что на частотах, больших 10∙ ср, задержка сигнала при прохождении через ОУ приводит к фазовой задержке /2. В случае последовательного включения 3х и более ОУ возможна ситуация, когда суммарная фазовая задержка превысит величину 3 /2. В этом случае изначально отрицательная обратная связь станет положительной, что приведет усилитель к состоянию генерации или насыщения.

Введение отрицательной обратной связи приводит к ограничению коэффициента усиления. При этом частота единичного усиления и наклон

2

графика ЛАЧХ остаются неизменными. Следовательно, частота среза усилителя увеличивается:

Рис.3. Частотные характеристики усилителя с ООС

Как видно из рис.3, введение отрицательной обратной связи сдвигает значение частоты, на которой усилитель привносит в сигнал существенную фазовую задержку.

1.2.Емкостная нагрузка

Часто к выходу операционного усилителя необходимо подключить

нагрузку, имеющую преимущественно емкостной характер, например, коаксиальная линия связи. Емкостная нагрузка оказывает существенное влияние на динамические характеристики усилительной схемы.

3

Рис.4. Усилитель с емкостной нагрузкой

Подключение к схеме усилителя на базе ОУ емкостной нагрузки усложняет вид передаточной характеристики. У функции K(f) может образоваться полюс – для некоторого значения частоты получится ∞. Вид АЧХ усилителя с подключенной емкостной нагрузкой представлен на рис.5.

Рис. 5. ЛАЧХ усилителя с емкостной нагрузкой

Попадание входного сигнала в окрестность полюса может привести к возбуждению усилителя – в выходном сигнале появятся посторонние затухающие, или хуже не затухающие колебания.

1.2.1.Влияние емкостной нагрузки на динамические свойства усилителя

Емкостная нагрузка приводит к образованию второго ФНЧ на выходе

усилителя. В результате в АЧХ появляется участок с наклоном -40 дБ/дек. Если ср ФНЧ, образованного емкостью нагрузки оказывается ниже ср

самого усилителя, полоса пропускания снижается до величины ср .

4

Следовательно, фазовая характеристика также переместится в область более низких частот. Максимальная величина фазовой задержки возрастет на /2.

5

1.2.2. Методы компенсации влияния емкостной нагрузки

Резистор, включенный последовательно с нагрузкой

VCC 5V

Конденсатор в цепи обратной связи

1nF

R2

100Ω

Демпфирующая RC цепочка

1.3.Сведения о применяемых измерительных приборах

регистрирует значения (амплитуду и фазовую задержку) выходного сигнала. На основании измеренных параметров выходного сигнала могут быть построены графики динамических характеристик исследуемой системы.

6

Рис. 6. Панель управления Боде плоттера

На панели Mode выбирается режим построения АЧХ (Magnitude) или ФЧХ (Phase).

На панелях Horizontal и Vertical необходимо задать диапазоны построения характеристик соответственно по частоте и коэффициенту усиления (или фазовой задержке для режима Phase).

XBP1

IN OUT

Рис. 7. Схема включения Боде плоттера

Плоттер имеет входы IN(+/-), OUT(+/-) которые нужно подключить к входу и выходу исследуемого четырехполюсника. В среде Multisim к входу четырехполюсника также необходимо подключить генератор сигнала (с любыми параметрами).

7

2.Практическая часть

2.1.Экспериментальное определение частотных свойств ОУ

1)При помощи Боде плоттера постройте ЛАЧХ и ЛФЧХ схемы неинвертирующего усилителя на базе ОУ AD8605 с К0 = 10, 1000, 100000. Определите его fcр. fT.

2)Результаты занесите в таблицу 1.

2.2.Изучение влияния емкостной нагрузки

1)Соберите схему повторителя на ОУ AD8605. В качестве нагрузки подключите к схеме конденсатор емкостью 1 нФ.

С помощью Боде плоттера определите полюс передаточной характеристики

2)При помощи анализатора спектра исследуйте спектр синусоидального и прямоугольного сигналов частотой 100 кГц в диапазоне 0 – 2 МГц.

3)Подайте на вход повторителя меандр с частотой 100 кГц. При помощи осциллографа оцените сигнал на выходе операционного усилителя. С помощью анализатора оцените спектр до и после усилителя

9

2.3.Компенсация влияния емкостной нагрузки

1)Включите в цепь нагрузки резистор величиной 100 Ом. Снимите динамические характеристики полученной схемы при помощи Боде плоттера, исследуйте форму выходного сигнала с помощью осциллографа

2)Подключите параллельно нагрузке CL демпфирующую RC цепочку R = 70 Ом, С = 1нФ. Проанализируйте работу схемы аналогично п.1.

3)Сделайте вывод об эффективности рассмотренных методов компенсации.

10